專利名稱：：用自旋力矩轉(zhuǎn)移寫入的磁性隨機(jī)存取存儲器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明大體上是關(guān)于磁性隨機(jī)存取存儲器(magneticrandomaccessmemory,MRAM)，且更明確地說，是關(guān)于借由自旋力矩轉(zhuǎn)移來編程的磁性隨機(jī)存取存儲器的新穎結(jié)構(gòu)，以及制造此結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)有非揮發(fā)性磁性隨機(jī)存取存儲器是借由使用交叉點(diǎn)磁場切換(cross-pointmagneticfieldswitching)而操作的。場借由電流通過配置于元件上下方的位線而產(chǎn)生。在元件中用作可寫入板(writableplate)的鐵磁性自由層(ferromagneticfreelayer)具有小于由位線產(chǎn)生的磁場的矯頑場(coercivityfield)。結(jié)果，鐵磁性自由層的磁化方向被更改以與磁場方向?qū)?zhǔn)。然而，由于需要大的電流，所以此操作方法限制按比例縮小MRAM元件的能力。當(dāng)將多個元件配置成MRAM陣列時，由于一元件的磁場也影響鄰近MRAM元件的鐵磁性自由層，所以操作另外具有寫入干擾的問題。另一方面，MRAM元件也可使用用于寫入操作的被稱為自旋力矩轉(zhuǎn)移的方法。操作視流經(jīng)磁性穿隧接面(magnetictunneljunction,MTJ)堆迭的電流密度而非電流振幅而定。MTJ堆迭基本上包含鐵磁性自由層以及具有固定磁化方向的參考層(referencelayer)。電子穿過參考層且極化自旋。由于電子自參考層流經(jīng)鐵磁性自由層，所以電子基于蘭道-李佛西茲-吉爾伯特(Landau-Lifshitz-Gilbert,LLG)方程式的旋進(jìn)(precessing)以及阻尼(damping)項(xiàng)的調(diào)節(jié)來逐漸改變鐵磁性自由層的磁化方向。另外，借由使用通過MTJ堆迭的自旋力矩轉(zhuǎn)移電流，經(jīng)編程的單元可在無干擾的情況下被寫入。此允許自寫入，亦即不需要使用額外的位線來寫入。結(jié)果，可更進(jìn)一步地來按比例縮小MRAM元件。MTJ堆迭也可利用第二參考層。第二參考層具有與第一參考層的磁化方向相反的磁化方向。自由層后來的磁化方向因而借由在寫入操作期間電子流經(jīng)存儲器元件的方向來判定。舉例而言，對于流經(jīng)第一參考層至第二參考層的電流而言，自由層的磁化方向與第一參考磁體的磁化方向?qū)?zhǔn)。所需的自旋力矩轉(zhuǎn)移電流密度強(qiáng)烈地視MTJ堆迭的大小而定。然而，由于MTJ堆迭變得較小，所以元件遭受由超順磁性引起的存儲器信息損失。由于需要高寫入電流密度來實(shí)現(xiàn)自由層的變化，所以熱能實(shí)質(zhì)上足以使材料中的原子磁矩(atomicmagneticmoment)隨機(jī)變動。此現(xiàn)象不僅有助于鐵磁性自由層的失穩(wěn)，且亦有助于參考磁體的失穩(wěn)。在MRAM陣列中的寫入干擾問題亦持續(xù)。因此，需要使用需要低寫入電流密度且在元件本身以及陣列中能夠保持穩(wěn)定磁性狀態(tài)的MRAM元件。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的第一實(shí)施例包括一種納米磁性元件(nano-magneticdevice)。這種元件包括具有第一磁化方向(magnetizationdirection)且具有中心軸(centralaxis)的第一硬磁體(hardmagnet)。元件還包括借由介電襯墊(liner)與第一硬磁體分離的第二硬磁體。第二硬磁體具有與第一硬磁體的第一磁化方向相反的第二磁化方向以及中心軸，使得當(dāng)?shù)谝挥泊朋w與第二硬磁體對準(zhǔn)時，經(jīng)由第一以及第二硬磁體來形成封閉磁通量回路(magneticfluxlo叩)。上述元件另外包括具有中心軸的鐵磁性自由層(freelayer)。自旋力矩轉(zhuǎn)移電流沿著第一以及第二硬磁體以及鐵磁性自由層的中心軸而傳遞，且影響鐵磁性自由層的磁化方向。可將多個此等元件連接至芯片，以形成用于磁性隨機(jī)存取存儲器的陣列。本發(fā)明的另一實(shí)施例包括一種制備用于納米磁性元件的裝置的方法。裝置需要第一硬磁體、柱(pillar)、后來沉積的薄金屬層以及后來沉積的第二硬磁體。第一磁體具有已知的第一磁化方向以及柱形狀。至于上述柱包含絕緣體層、鐵磁性自由層、CMP終止層(CMPst叩layer)以及硬掩模(hardmask)。第二硬磁體具有與第一硬磁體的第一磁化方向相反的第二磁化方向。這種方法包括使硬掩模縮減，再蝕刻CMP終止層、鐵磁性自由層以及絕緣體層的柱以與硬掩模相符，接著將第二硬磁體以及薄金屬層蝕刻成一個柱形狀，使得圖案對準(zhǔn)于第一硬磁體形狀。結(jié)合附圖來閱讀將能更好地理解本發(fā)明的較佳實(shí)施例的上述
發(fā)明內(nèi)容以及以下實(shí)施方式。為了達(dá)成說明本發(fā)明的目的，在圖式中示出目前為較佳的實(shí)施例。然而，應(yīng)理解，本發(fā)明不限于所示的精確配置以及手段。圖1示出本發(fā)明的實(shí)施例的基本結(jié)構(gòu)的橫截面。圖2示出本發(fā)明的實(shí)施例的更詳細(xì)的橫截面。圖3-11大體上示出根據(jù)本發(fā)明的較佳實(shí)施例制造MRAM元件的過程。圖12示出本發(fā)明的實(shí)施例的橫截面。主要元件符號說明10:第一硬磁體12:絕緣體層14:鐵磁性自由層16:介電襯墊18:薄金屬層20:第二硬磁體22、24:位線26:CMP終止層28:硬掩模30、32:抗蝕膜具體實(shí)施例方式圖1示出本發(fā)明的實(shí)施例的基本結(jié)構(gòu)的橫截面。在寫入操作期間，電流脈沖自一硬磁體穿過MRAM元件結(jié)構(gòu)、鐵磁性自由結(jié)構(gòu)以及第二硬磁體。電流密度的范圍為約105A/cn^至約107A/cm2，且脈沖持續(xù)時間的范圍為約0.1ns至100ns。不像其中每一層為平坦的且具有與其他層相同的寬度的先前技術(shù)，圖l示7出兩個硬磁體相對于鐵磁性自由結(jié)構(gòu)大得多。此賦能利用低電流密度來進(jìn)行元件編程。更改磁化方向所需的電流密度遵照方程式J=JcQ[1-(KT/E)ln(7"o/Vp)]，其中E=MsVHk/2JU、K(波茲曼常數(shù))以及T。為常數(shù)，rp(脈沖持續(xù)時間)、T(溫度)、Ms(飽和磁化(saturationmagnetization)),V(元件容積)以及H"異向性場(anisotropicfield))為可變參數(shù)。對于兩個大的硬磁體而言，Hk以及V是高的。1/mi寬度的兩個硬磁體需要大于107A/cn^的電流密度以改變磁化方向。相反地，較小的鐵磁性自由結(jié)構(gòu)具有相對低的Hk以及V。所需電流密度約為105或106A/cm2。因此，兩個硬磁體的成比例的大容積使元件更穩(wěn)定。同時，較小的鐵磁性自由層允許使用較低的電流密度，借此進(jìn)一步有助于元件的磁穩(wěn)定(stabilization)。圖2示出如在MRAM陣列中連接至承載執(zhí)行MRAM寫入的電流脈沖的位線22以及24的本發(fā)明的實(shí)施例的詳細(xì)橫截面。第一硬磁體10連接至在圖2中沿著x軸示出的位線22。第一硬磁體IO可由高矯頑性材料構(gòu)造，包括諸如CoFe或Co的3d過渡鐵磁性材料或合金，諸如SmCo的硬磁體材料，或混合結(jié)構(gòu)，例如，沉積于Cr上的Co。矯頑性(coercivity)的范圍為約100Oe至約1T(10,000Oe)。或者，第一硬磁體10可由交換偏移耦接(exchange-biascoupled)鐵磁材料構(gòu)造。此包括關(guān)于反鐵磁性結(jié)構(gòu)的鐵磁體。反鐵磁性材料可為諸如FeMn、IrMn或PtMn的反鐵磁性物質(zhì)，諸如CoFe/Rr/CoFe的合成反鐵磁性結(jié)構(gòu)，或兩者的組合。與所用的材料無關(guān)，第一硬磁體10應(yīng)具有在約10nm至約200nm的范圍內(nèi)的總厚度。在圖2中，將絕緣體層12示出于第一硬磁體10的中心軸的上方。此結(jié)構(gòu)包括諸如Al203或MgO的材料，且厚度的范圍為約0.8nm至約4nm。絕緣體層12將第一硬磁體10與鐵磁性自由層14分離。鐵磁性自由層14可為諸如CoFe、CoFeB、NiFeSiB或NiFe的單一鐵磁性層，或可為多層結(jié)構(gòu)如CoFeB/Ru/CoFeB。每一層的厚度的范圍為約1nm至約10nm。鐵磁性自由層14的矯頑性低于第一硬磁體10的矯頑性，如低于50Oe。而薄金屬層18是用在寫入期間傳導(dǎo)來自第二硬磁體20的電子自旋信息(message)且防止鐵磁性自由層14與第二硬磁體20之間的磁性耦接。由Ru、Ir、Pt、Cu或Ag組成的此金屬層18(例如)應(yīng)覆蓋厚度小于約3nm的構(gòu)造(topology)。第二硬磁體20可由類似于第一硬磁體IO的材料的材料構(gòu)造。在較佳實(shí)施例中，第一硬磁體10為諸如IrMn/CoFeB/Ru/CoFeB的交換偏移耦接多層結(jié)構(gòu)(multilayer),且第二硬磁體20為諸如CoFe的具有高矯頑性的鐵磁性單一層。在所有實(shí)施例中，第二硬磁體20必須具有與第一硬磁體10的磁化方向相反的磁化方向。第二硬磁體20連接至在圖2中沿著y軸示出的位線24。第一硬磁體10以及第二硬磁體20與薄金屬層18之間剩余的空間可由介電襯墊來填充。襯墊厚度的范圍可為約50nm至約200nm。在較佳實(shí)施例中，介電質(zhì)為Si02。圖3-11大體上示出根據(jù)本發(fā)明的較佳實(shí)施例制造MRAM元件的過程。請參看圖3，沉積第一硬磁體10、絕緣體結(jié)構(gòu)12及鐵磁性自由層14。CMP終止層26可為金屬性的或絕緣的。硬掩模28放置于CMP終止層26的頂上。在較佳實(shí)施例中，若硬掩模28及稍后沉積的介電襯墊(在下文論述)包含Si02且CMP的研磨漿為Ce02，則終止層26由SiN組成。終止層26的厚度應(yīng)為約10腿。在較佳實(shí)施例中，硬掩模28為SiO2，且厚度的范圍為約50nm至約300nm。經(jīng)圖案化的抗蝕膜30的厚度范圍也為約50nm至約300nm。在較佳實(shí)施例中，經(jīng)圖案化的抗蝕膜30為柱形狀，諸如橢圓形、眼睛形狀或圓形。請參看圖4，蝕刻絕緣體結(jié)構(gòu)12、鐵磁性自由層14、CMP終止層26及硬掩模28至經(jīng)圖案化的抗蝕膜30?？墒褂没贔化學(xué)物的配方借由反應(yīng)式離子蝕刻(reactive-ion-etch,RIE)方法來蝕刻硬掩模28及CMP終止層26。接著可使用具有多個步驟的配方，以蝕刻鐵磁性自由層14及絕緣體12?？赡艿幕瘜W(xué)物包括Cl2、BC13、NF3、CF4、CHF3、CO、02、Ar及/或N2。在較佳實(shí)施例中，使用RIE。另外可使用時間模式或終點(diǎn)檢測方法，以在第一硬磁體IO上終止。請參看圖5，將第一硬磁體IO蝕刻為錐形輪廓。可使用利用Cl2、BC13、NF3、CF4、CHF3、CO、02、Ar及/或N2的鈍化支配RIE配方。然而，CO及02可減少，且BCl3及CHF3可增加。時間模式或終點(diǎn)檢測方法可用于終止蝕刻制程。為了移除聚合物，可利用02等離子體去除及借由EKC265進(jìn)行的濕式剝除(wetstrip)。請參看圖6，使用適合的溶劑來使硬掩模28尺寸縮減。在較佳實(shí)施例中，在縮減后，硬掩模28的臨界尺寸的范圍為約10nm至約60nm。此是自小于約150nm的預(yù)縮減尺寸(pre-shrinksize)而下降的。若使用SiN硬掩模，則溶劑可為時間模式控制下的熱磷酸。在較佳實(shí)施例中，硬掩模為Si02，且溶劑可為時間模式控制下的稀HF或緩沖HF。請參看圖7，再次蝕刻絕緣體結(jié)構(gòu)12、鐵磁性自由層14及CMP終止層26以與縮減的硬掩模28相符?？墒褂枚嗖襟E配方。對于CMP終止層26而言，可能的化學(xué)物包括CF4、CHF3、CH3F、CO、02、Ar及/或N2。在較佳實(shí)施例中，在精調(diào)參數(shù)(fine-tunedparameter)的情況下使用RIE。蝕刻鐵磁性自由層14及絕緣體結(jié)構(gòu)12的可能的化學(xué)物包括Cl2、BC13、NF3、CF4、CHF3、CO、02、Ar及/或N2?？墒褂脮r間模式或終點(diǎn)檢測方法以在第一硬磁體IO上終止。在較佳實(shí)施例中，在精調(diào)參數(shù)的情況下使用RIE。請參看圖8，將厚介電襯墊16沉積于整個構(gòu)造上方。在較佳實(shí)施例中，介電質(zhì)為借由諸如化學(xué)氣相沉積(chemicalvapordeposition,CVD)或等離子體增強(qiáng)CVD的方法而沉積的Si02。請繼續(xù)參看圖9，使用介電構(gòu)造CMP制程來暴露CMP終止層26，而不損壞鐵磁性自由結(jié)構(gòu)。在較佳實(shí)施例中，研磨漿為Ce02，使得研磨選擇性足夠高以在CMP終止層26上終止。需要陣列附近的許多虛設(shè)圖案(dummypattern)(未顯示于圖9中)來檢測研磨的進(jìn)程。在CMP制程之后，需要洗滌清潔劑來移除遺留的微粒殘?jiān)?。請參看圖10，借由(例如)濕式蝕刻或干式蝕刻來移除來自圖9的CMP終止層26。在較佳實(shí)施例中，為SiN的CMP終止層使用借由磷酸進(jìn)行的濕式蝕刻。對鐵磁性自由層14及介電襯墊16的蝕刻選擇性是足夠的。接著，將薄金屬層18沉積于構(gòu)造上方。將第二硬磁體20沉積于金屬層18上方?？山栌稍诔练e期間施加磁場來感應(yīng)磁化方向。第二經(jīng)圖案化的抗蝕膜32類似于第一經(jīng)圖案化的抗蝕膜30，因?yàn)槠錇橹螤畹?，如橢圓形、眼睛形狀或圓形。然而，臨界尺寸的范圍為約50nm至約300nm，且必須大于第一硬磁體10的臨界尺寸。請參看圖ll,可使用多步驟配方來蝕刻第二硬磁體20及薄金屬層18?？赡艿幕瘜W(xué)物包括Cl2、BC13、NF3、CF4、CHF3、CO、02、Ar及/或N2。在較佳實(shí)施例中，在精調(diào)參數(shù)的情況下使用RIE?？墒褂脮r間模式或終點(diǎn)檢測方法以在過度蝕刻時在介電襯墊上終止。在蝕刻之后，使用02等離子體去除及借由EKC265進(jìn)行的濕式剝除來移除所有聚合物。圖12則是顯示具有在第一硬磁體10及第二硬磁體20中指示的磁化方向的完成的存儲器元件。相反的磁化方向及兩個硬磁體10及20的相符形狀使得磁通量經(jīng)由磁體10及20形成圓形回路。此回路使能量穩(wěn)定，以滿足麥克斯韋(Maxwell)第二方程式divB=0。硬磁體10及20的這種自穩(wěn)定對準(zhǔn)可防止鄰近的元件受到磁通量干擾。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的修改和完善，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書所界定的為準(zhǔn)。權(quán)利要求1.一種納米磁性元件，其特征在于包括(a)一第一硬磁體，具有一第一磁化方向且具有一中心軸；(b)一第二硬磁體，其借由一介電襯墊與所述第一硬磁體分離，所述第二硬磁體具有與所述第一硬磁體的所述第一磁化方向相反的一第二磁化方向且具有一中心軸，使得在所述第一硬磁體與所述第二硬磁體對準(zhǔn)時，經(jīng)由所述第一硬磁體及第二硬磁體來形成一封閉磁通量回路；以及(c)一鐵磁性自由層，具有一中心軸，使得一自旋力矩轉(zhuǎn)移電流沿著所述第一硬磁體、所述第二硬磁體及所述鐵磁性自由層的所述中心軸而傳遞，且影響所述鐵磁性自由層的磁化方向。2.如權(quán)利要求1所述的納米磁性元件，其特征在于，所述鐵磁性自由層被制作成會被所述第一硬磁體及所述第二硬磁體封閉的尺寸。3.如權(quán)利要求2所述的納米磁性元件，其特征在于，所述鐵磁性自由層具有小于50Oe的矯頑性。4.如權(quán)利要求2所述的納米磁性元件，其特征在于，所述鐵磁性自由層為CoFe或CoFeB。5.如權(quán)利要求1所述的納米磁性元件，其特征在于，所述第一硬磁體為交換偏移耦接多層鐵磁性材料。6.如權(quán)利要求1所述的納米磁性元件，其特征在于，所述第二硬磁體為具有大于1000e的矯頑性的鐵磁性單一層。7.如權(quán)利要求1所述的納米磁性元件，其特征在于，還包括(d)—絕緣體層，位于所述第一硬磁體與所述鐵磁性自由層之間。8.如權(quán)利要求7所述的納米磁性元件，其特征在于，所述絕緣體層為A1203或MgO。9.如權(quán)利要求7所述的納米磁性元件，其特征在于，還包括(e)—薄金屬層，接觸所述鐵磁性自由層及所述第二硬磁體。10.如權(quán)利要求9所述的納米磁性元件，其特征在于，所述薄金屬層為Ru或Ir。11.如權(quán)利要求9所述的納米磁性元件，其特征在于，所述介電襯墊將所述第一硬磁體與未接觸所述鐵磁性自由層的所述薄金屬層的所有部分分離。12.—種由多數(shù)個納米磁性元件構(gòu)成的裝置，其特征在于，每一納米磁性元件包括(a)—第一硬磁體，具有一第一磁化方向且具有一中心軸；(b)—第二硬磁體，其借由一介電襯墊與所述第一硬磁體分離，所述第二硬磁體具有與所述第一硬磁體的所述第一磁化方向相反的一第二磁化方向且具有一中心軸，使得在所述第一硬磁體與所述第二硬磁體對準(zhǔn)時，經(jīng)由所述第一硬磁體及所述第二硬磁體來形成一封閉磁通量回路；以及(C)一鐵磁性自由層，其具有一中心軸，使得一自旋力矩轉(zhuǎn)移電流沿著所述第一硬磁體、所述第二硬磁體及所述鐵磁性自由層的所述中心軸來傳遞，且影響所述鐵磁性自由層的磁化方向，每一納米磁性元件連接至一芯片，以形成用于一磁性隨機(jī)存取存儲器中的陣列。13.—種制備用于納米磁性元件中的裝置的方法，所述裝置包括一第一硬磁體、一柱、后來沉積的一薄金屬層及后來沉積的一第二硬磁體，所述第一硬磁體具有一第一磁化方向及一柱形狀，所述柱包括一絕緣體層、一鐵磁性自由層、一CMP終止層及一硬掩模，所述第二硬磁體具有與所述第一硬磁體的所述第一磁化方向相反的一第二磁化方向，所述方法包括(a)使所述硬掩?？s減；(b)蝕刻所述CMP終止層、所述鐵磁性自由層及所述絕緣體層的所述柱以與所述硬掩模相符；以及(c)將所述第二硬磁體及所述薄金屬層蝕刻成一柱形狀，使得圖案與所述第一硬磁體形狀對準(zhǔn)。14.如權(quán)利要求13所述的制備方法，其特征在于，步驟(a)還包括使所述硬掩模自小于150nm的尺寸縮減為10nm至60nm的硬掩模尺寸。15.如權(quán)利要求13所述的制備方法，其特征在于，步驟(c)包括蝕刻所述第二硬磁體，使一第二硬磁體尺寸大于一第一硬磁體尺寸。16.如權(quán)利要求13所述的制備方法，其特征在于，步驟(c)包括蝕刻所述第二硬磁體，使第二硬磁體尺寸為50nm至300nm。17.如權(quán)利要求13所述的制備方法，其特征在于，所述柱形狀為橢圓形、眼睛形狀及圓形其中之一。全文摘要本發(fā)明涉及用自旋力矩轉(zhuǎn)移寫入的磁性隨機(jī)存取存儲器及其制造方法。納米磁性元件包括具有第一磁化方向且具有中心軸的第一硬磁體。元件還包括借由介電襯墊與第一硬磁體分離的第二硬磁體。第二硬磁體具有與第一硬磁體的第一磁化方向相反的第二磁化方向及中心軸，使得在第一硬磁體與第二硬磁體對準(zhǔn)時，經(jīng)由第一及第二硬磁體來形成封閉磁通量回路。元件另外包括具有中心軸的鐵磁性自由層。自旋力矩轉(zhuǎn)移電流沿著第一及第二硬磁體及鐵磁性自由層的中心軸傳遞，且影響鐵磁性自由層的磁化方向。文檔編號H01L43/08GK101192646SQ20071018028公開日2008年6月4日申請日期2007年10月15日優(yōu)先權(quán)日2006年12月1日發(fā)明者何家驊申請人:旺宏電子股份有限公司